水泥混凝土路面裂縫的防治

　　摘要

　　作者參與修建長清區(qū)長炒路改建工程時，對各種裂縫的產生原因進行了詳細地探討，找出裂縫的成因，在路基的成型、施工，半剛性基層的施工、控制及水泥混凝土的施工工藝，原材料的選擇，配合比的控制等各個方面做出詳盡說明，并對預防水泥混凝土裂縫提出了新的認識。

　　關鍵詞

　　水泥混凝土路面裂縫防治路基沉降量氣溫變化影響砼配合比水灰比路面接縫

　　長炒路改建工程于2004年8月完工，改建后的長炒路為二級公路，設計行車時速80公里/小時，設計使用周期30年，路面結構為20cm的水泥混凝土路面+20cm的水泥穩(wěn)定風化料基層+20cm的石灰土底基層。盡管在施工中加強了質量管理并改進了施工工藝，但仍是不斷出現(xiàn)各種類型的裂縫。這些裂縫(不包括面板的干縮裂縫)多半發(fā)生在混凝土面板澆注后的1～2天內，位置大多在距縮縫1米的范圍內，個別也有在面板中部開裂的?？p寬隨時間的延續(xù)，由細發(fā)展到寬，細的只有0。1mm，仔細查找才能發(fā)現(xiàn)?？p深可貫通板面，嚴重時基層也會斷裂。橫向縫較縱向縫居多。

　　造成面板開裂的因素是很多的，只要施工中不謹慎隨時都可以出現(xiàn)面板的各種裂縫。當混凝土面板的抗拉、抗折強度低于混凝土的收縮和翹曲應力時，裂縫就會產生，而隨著時間、氣溫變化、雨水滲入及行車作用，會最終導致全部路面的破壞，目前尚無理想的修補方法。對裂縫嚴重的面板只有鏟掉重澆新板，在澆注前應在相鄰板的接觸面處鉆孔埋設傳力桿。面板裂縫輕微且不再發(fā)展的，可以采取修補。修補工作不但費工費料，外觀難看，而且工藝繁雜，使用效果也不及原有的整體板。為此，施工過程中要嚴格管理，精心組織，最大限度地降低裂縫的產生。

　　1保證路基最佳密實度

　　路基的沉降會使其強度減弱，要使沉降一點不發(fā)生也是不可能的，即使是路基達到98%的密實度，那么還有2%的空隙率，有空隙就會有沉降。微量的沉降不會造成路基的破壞。因此，為保證路基足夠的穩(wěn)定性，就必須把沉降量減小到最小值，尤其要避免發(fā)生影響嚴重的不均勻沉降?？孔匀怀谅錅p小沉降的做法在高等級公路施工中是不合適，尤其是工期短的工程，更無可能。即使采用加載預壓，也是不經(jīng)濟的。

　　路基發(fā)生沉降有兩種情況：一是地基軟弱，未做好加固處理，其承載能力低于覆蓋在它上面的填土層重力的壓縮變形；二是填土層壓實不好，密實度小于設計要求，其強度必然不足，在自重和外力作用下就會發(fā)生變形，密實度愈小其變形愈大。

　　為減少因地基沉降而造成的路基變形，在填筑路基前，先清除地基表面的農作物、樹木雜草以及腐殖土，然后用重型壓路機械多遍碾壓，使地基壓實度不小于93%。

　　長炒路全線有300米的地基不良地段(屬地基過濕)，承載力不足1。2kg/cm²，車輛在地基上無法行走。填筑路基須先加固地基，并利用冬春地下水位下降的有利條件，深犁地基土30厘米深，晾曬，再摻以8%劑量的石灰翻拌碾壓至密實。經(jīng)檢測，地基壓實度已達90%以上。

　　為使路基有良好的密實度和提高其強度，減少路基的塑性變形和滲透系數(shù)，從而增加穩(wěn)定性，使填土層的沉降量減小到最低限度，結合施工單位的現(xiàn)有碾壓設備，在填筑路基時采取“分層填筑”和“薄層多壓”的做法，每層厚度不超過30cm。曾在K3+000~K3+100段填筑長100米的試驗段，層厚50cm，填土層的土質為粘性土，用18噸振動壓路機在最佳含水量時，碾壓五遍后檢測其壓實度小于93%（達不到設計要求），繼續(xù)碾壓到十遍，再檢測其壓實度，發(fā)現(xiàn)無明顯提高。相鄰一段層厚30cm的填土層長200米，用同樣的粘性土和碾壓機械，當碾壓至第四遍后，檢測其壓實度已達93%~95%。在有大噸位壓實機械的條件下，如50噸振動壓路機，重夯以及強夯等，可適當增加每層的填筑厚度，具體的層厚應根據(jù)不同的機械經(jīng)試驗確定。為保證有均勻的強度，必須強調“分層填筑”，因不同層次有不同的壓實度要求。

　　2提高基層的強度與穩(wěn)定性

　　混凝土路面的基層必須具有剛度大、整體性強和水穩(wěn)性好。常用的基層結構有石灰粉煤灰穩(wěn)定碎石、石灰土、工業(yè)廢渣類等半剛性基層。石灰土宜作為底基層，不宜作為水泥混凝土等高級路面的基層。石灰土的初期強度和水穩(wěn)性較低，同時干縮，冷縮易產生裂縫。從面層縫隙滲入的水會使石灰土基層表面水化，降低強度，同時也易使面層滑動。長炒路工程采用水泥穩(wěn)定碎石，它比石灰穩(wěn)定土好，因為它的水穩(wěn)性好。長炒路工程的基層強度要求灑水養(yǎng)生7天，其飽水無側限抗壓強度＞0.8Mpa，28天應達到1.2Mpa以上。有一合同段試鋪的石灰土底基層，經(jīng)檢測壓實度、灰劑量等各項指標都符合要求，唯做灰土飽水試驗時，當一組試件僅在水中浸泡1~4小時，所有試件都已松散，根本談不上有強度。在這樣的基層上修筑路面最終造成基層松散/滑動，而使面層坑槽、龜裂連片。

　　基層強度的均勻性及平整度對混凝土面板質量影響較大?；鶎邮┕r若拌和不勻、不同土質混雜使用，灰和土不過篩或粉碎不好而團塊多、平整度差，新老路基結合部處理的不好等等都會造成基層強度的不均勻、基層平整度差，還會使混凝土面板厚度不一以及由此引起的面板內應力不等和增加混凝土板底的摩阻力，這在溫度應力作用下，易使面板斷裂。為此，在驗收基層交工時，除按中華人民共和國交通部頒布的《公路工程質量檢驗評定標準》規(guī)定的項目外，還應增加檢驗基層彎沉值、拌和均勻度、含水量等有關項目，使基層能給混凝土面板提供均勻而穩(wěn)定的支撐，且能防止唧泥和凍脹等不良影響，保證路面有較好的整體強度和平整度，達到延長混凝土路面的使用壽命的目的。

　　3施工溫度對混凝土面板的影響

　　3.1溫度裂縫產生原因

　　混凝土硬化期間水泥放出大量水化熱，內部溫度不斷上升，在表面引起拉應力。后期在降溫過程中，由于受到基礎或老混凝土的約束，又會在混凝土內部出現(xiàn)拉應力。氣溫的降低也會在混凝土表面引起很大的拉應力。當這些拉應力超出混凝土的抗裂能力時，即會出現(xiàn)裂縫。許多混凝土的內部濕度變化很小或變化較慢，但表面濕度可能變化較大或發(fā)生劇烈變化，如養(yǎng)護不周、時干時濕，表面干縮形變受到內部混凝土的約束，也往往導致裂縫。混凝土是一種脆性材料，抗拉強度是抗壓強度的1／10左右，短期加荷時的極限拉伸變形只有(0.6～1.0)×104，長期加荷時的極限位伸變形也只有(1.2～2.0)×104。由于原材料不均勻，水灰比不穩(wěn)定及運輸和澆筑過程中的離析現(xiàn)象，在同一塊混凝土中其抗拉強度又是不均勻的，存在著許多抗拉能力很低，易于出現(xiàn)裂縫的薄弱部位。在鋼筋混凝土中，拉應力主要是由鋼筋承擔，混凝土只是承受壓應力。在素混凝土內或鋼筋混凝土的邊緣部位如果結構內出現(xiàn)了拉應力，則須依靠混凝土自身承擔。一般設計中均要求不出現(xiàn)拉應力或者只出現(xiàn)很小的拉應力。

　　但是在施工中混凝土由最高溫度冷卻到運轉時期的穩(wěn)定溫度，往往在混凝土內部引起相當大的拉應力。有時溫度應力可超過其它外荷載所引起的應力，因此掌握溫度應力的變化規(guī)律對于進行合理的結構設計和施工極為重要。

　　3.2溫度應力的分析

　　根據(jù)溫度應力的形成過程可分為以下三個階段:

　　(1)早期：自澆筑混凝土開始至水泥放熱基本結束，一般約30天。這個階段有兩個特征，一是水泥放出大量的水化熱，二是混凝土彈性模量的急劇變化。由于彈性模量的變化，這一時期在混凝土內形成殘余應力。

　　(2)中期：自水泥放熱作用基本結束時起至混凝土冷卻到穩(wěn)定溫度時止。這個時期中，溫度應力主要是由于混凝土的冷卻及外界氣溫變化所引起，這些應力與早期形成的殘余應力相疊加，在此期間混凝土的彈性模量變化不大。

　　(3)晚期：混凝土完全冷卻以后的運轉時期。溫度應力主要是外界氣溫變化所引起，這些應力與前兩種的殘余應力相迭加。

　　根據(jù)溫度應力產生的原因可分為兩類：

　　(1)自生應力：邊界上沒有任何約束或完全靜止的結構，如果內部溫度是非線性分布的，由于結構本身互相約束而出現(xiàn)的溫度應力。例如，橋梁墩身，結構尺寸相對較大，混凝土冷卻時表面溫度低，內部溫度高，在表面出現(xiàn)拉應力，在中間出現(xiàn)壓應力。

　　(2)約束應力：結構的全部或部分邊界受到外界的約束，不能自由變形而引起的應力。如箱梁頂板混凝土和護欄混凝土。

　　這兩種溫度應力往往和混凝土的干縮所引起的應力共同作用。要想根據(jù)已知的溫度準確分析出溫度應力的分布、大小是一項比較復雜的工作。在大多數(shù)情況下，需要依靠模型試驗或數(shù)值計算?；炷恋男熳兪箿囟葢τ邢喈敶蟮乃神Y，計算溫度應力時，必須考慮徐變的影響，具體計算這里就不再細述。

　　3.3溫度的控制和防止裂縫的措施

　　為了防止裂縫，減輕溫度應力可以從控制溫度和改善約束條件兩個方面著手。

　　(1)控制溫度的措施

　　1)采用改善骨料級配，用干硬性混凝土摻混合料加引氣劑或塑化劑等措施以減少混凝土中的水泥用量；

　　2)拌和混凝土時加水或用水將碎石冷卻以降低混凝土的澆筑溫度；

　　3)熱天澆筑混凝土時減少澆筑厚度，利用澆筑層面散熱；

　　4)在混凝土中埋設水管，通入冷水降溫；

　　5)規(guī)定合理的拆模時間，氣溫驟降時進行表面保溫，以免混凝土表面發(fā)生急劇的溫度梯度；

　　6)施工中長期暴露的混凝土澆筑塊表面或薄壁結構，在寒冷季節(jié)要對其采取保溫措施；

　　(2)改善約束條件的措施

　　1)合理地分縫分塊；

　　2)避免基礎過大起伏；

　　3)合理的安排施工工序，避免過大的高差和側面長期暴露；

　　(3)添加外加劑

　　為保證混凝土工程質量，防止開裂，提高混凝土的耐久性，正確使用外加劑也是減少開裂的措施之一。例如使用減水防裂劑，筆者在實踐中總結出其主要作用為：

　　1)混凝土中存在大量毛細孔道，水蒸發(fā)后毛細管中產生毛細管張力，使混凝土干縮變形。增大毛細孔徑可降低毛細管表面張力，但會使混凝土強度降低。這個表面張力理論早在六十年代就已被國際上所確認。

　　2)水灰比是影響混凝土收縮的重要因素，使用減水防裂劑可使混凝土用水量減少25%。

　　3)水泥用量也是混凝土收縮率的重要因素，摻加減水防裂劑的混凝土在保持混凝土強度的條件下可減少15%的水泥用量，其體積用增加骨料用量來補充。

　　4)減水防裂劑可以改善水泥漿的稠度，減少混凝土泌水，減少沉縮變形。

　　5)提高水泥漿與骨料的粘結力，提高的混凝土抗裂性能。

　　6)混凝土在收縮時受到約束產生拉應力，當拉應力大于混凝土抗拉強度時裂縫就會產生。減水防裂劑可有效的提高的混凝土抗拉強度，大幅提高混凝土的抗裂性能。

　　7)摻加外加劑可使混凝土密實性好，可有效地提高混凝土的抗碳化性，減少碳化收縮。

　　8)摻減水防裂劑后混凝土緩凝時間適當，在有效防止水泥迅速水化放熱基礎上，避免因水泥長期不凝而帶來的塑性收縮增加。

　　9)摻外加劑混凝土和易性好，表面易摸平，形成微膜，減少水分蒸發(fā)，減少干燥收縮。

　　許多外加劑都有緩凝、增加和易性、改善塑性的功能，我們在工程實踐中應多進行這方面的實驗對比和研究，比單純的靠改善外部條件，可能會更加簡捷、經(jīng)濟。

　　4嚴格掌握混凝土的配合比和水灰比

　　混凝土的配合比和水灰比對強度起至關重要的作用。一般都能做到依據(jù)水灰比與強度關系曲線進行計算和選配合理的配合比，但關鍵是在實際施工中要按采用的配合比嚴格執(zhí)行，堅決杜絕上料不過秤。

　　在長炒路工程中根據(jù)不同廠家的水泥和工地實際采備的砂石料，采取現(xiàn)場取樣試配，以校核各施工單位報檢的配合比，凡不經(jīng)監(jiān)理處批準的配合比一律不得使用。規(guī)定統(tǒng)一使用山東水泥廠生產的普通硅酸鹽水泥，不得隨意使用礦渣水泥來澆筑面板，水泥標號不低于425號，要求混凝土單位用量不超過320kg/m³，水灰比不大于0.45，混凝土單位重不小于2400kg/m³，含砂率控制在27~30%間。混凝土的試配強度比設計強度提高10%，即抗壓強度大于33Mpa，抗折強度大于5Mpa。

　　鉆芯取樣抽驗幾個已斷裂的面板發(fā)現(xiàn)，它們28天抗折強度大多數(shù)都小于設計強度，有的混凝土單位質量不足2400kg/m³，有的試件含有黃褐色小點兒，說明砂料不凈夾有土粒。露天堆放的砂石料，會沾染泥灰雜物，若不清除勢必影響混凝土的質量。為此，監(jiān)理處明文規(guī)定：砂子要過篩，石子在進入拌和設備前應用鼓風機吹凈塵土和石粉。若泥土雜物含量超過5%不易吹凈時，應加水沖洗，使雜質含量小于1%。

　　在兩條脹縫間盡量選用同一廠家生產的同一品種水泥。特別是脹縫處最好使用同一批號的水泥，避免因水泥不同影響面板混凝土強度的均勻性。

　　每天每個作業(yè)面至少做兩組試件，以抽檢其配合比和強度。夏季多雨天氣還要隨時檢查其砂石材料的含水量，調整混凝土的用水量。

　　5認真做好混凝土路面的接縫

　　接縫隨其性能不同構造各異。接縫的質量直接關系到混凝土路面的使用效果。

　　5.1脹縫

　　溫度升高出現(xiàn)混凝土的熱脹，易使脹縫出現(xiàn)破損現(xiàn)象。據(jù)有關資料介紹，采用混凝土的線膨脹系數(shù)a=1×10-5(℃)和混凝土彈性模量E=3×105kgf/cm²，當混凝土面板比在澆筑時的溫度提高10℃時，其脹縫處的應力σ=a．E．t°=30kgf/cm²。此時若脹縫板和傳力桿施工時位置不正確、或傳力桿活動端不自由、以及脹縫面不垂直、縫內掉入石子等硬粒、縫兩側強度不均等均會造成面板的破損、錯臺現(xiàn)象。

　　脹縫施工工藝復雜，要求高，不合格的脹縫會加劇對面板的破壞，因此脹縫施工時必須認真操作。脹縫應與路面中心線垂直，當遇到斜交橋涵處，應設置不小于3塊板長(約15米)的漸變段，以逐漸調整縫的方向，并在漸變段內配置鋼筋網(wǎng)和傳力鋼筋?？p壁必須上下垂直，縫隙寬度一致。

　　脹縫的傳力桿在水平和垂直兩個方向的位置都要正確，固定后的傳力桿必須平行于板面及路面中線。其固定方法應按《水泥混凝土路面施工規(guī)范》第4.6.1條規(guī)定的頂頭木模固定法及小支架法施工。傳力桿的活動端要能活動自由，面板脹縮時才不會頂壞或拉破。制備傳力桿時，兩端要鋸斷，不應剪切斷，以保持完整的圓截面，達到端部光滑，不帶刺角。活動端應用穩(wěn)定性較好的石油瀝青，加熱到110℃后，把桿的一端放入熱瀝青中浸泡2分鐘以上，附在桿端的熱瀝青膜不宜過厚，再在滑石粉中滾一下以防粘連。安裝時要求將傳力桿活動端放入套管內，外面再用塑料布包裹并纏在桿上，以防混凝土灰漿進入套管中。

　　5.2縱縫

　　簡單的是做成平豎直縫，兩幅面板處的縱縫，用螺紋鋼筋制成的拉桿連接，拉桿位置在1/2板厚處?？v縫側面用石油瀝青均勻涂刷2至3遍，但應避免將熱瀝青涂刷在螺紋鋼筋的拉桿上。

　　5.3縮縫

　　為抵抗混凝土的冷縮應力而設置的縮縫，均應使用切縫法。有時也配合使用壓縫法，即在每隔25米先壓一道縫，然后再每隔5米一道切縫，以防混凝土面板過早開裂。例如有一次澆筑的一批面板中斷裂了一塊，三天后鉆芯取樣看到基層平整無破損，面板達到設計厚度且均勻，試件養(yǎng)生28天后試壓，計算其強度符合設計要求。據(jù)工地反映系切縫不及時所致。

　　壓縫施工若工藝不細，極易造成壓縫處平整度差，縫邊混凝土易破碎，所以一般不提倡使用。《施工規(guī)范》明確規(guī)定在機場和高速公路上必須采用切縫法。

　　長炒路工程全部使用切縫法做縮縫。

　　切縫法主要是用切縫機切割，操作時要做到縫寬一致，一般縫寬為6--8mm，過窄的縫，填縫時有困難，但目前市場出售4mm厚的鋸片，使縫寬趨向變窄?？p深不小于4cm（有的資料提出深度不小于板厚1/3），且深度要一致，防止兩端淺中間深的不均現(xiàn)象。切縫時間要及時，過早會破損混凝土，過晚面板會斷裂，一般以混凝土達到設計強度的25～30%時為宜，目前也有的單位用時250～300個溫度小時來掌握切縫時間（澆筑后的時間與日平均氣溫之積）。外觀力求美觀整齊，橫向相鄰的縮縫要對齊，平曲線處更應注意按孤度等分功縫。

　　5.4施工縫

　　其位置應與脹、縮縫的設計位置相吻合，其設置方法和要求與脹縫相同。施工縫應盡可能減少，在目前缺少機械化施工的條件下，大多是以人工作業(yè)居多，每個作業(yè)面一般日進度為150～200米，因而這種施工縫實際上都成了脹縫形式。

　　5.5填縫

　　填縫是一道仔細的工序，它的質量好壞直接影響到路面的使用和行車的效果。近年來隨著修建混凝土路面的增多，其重要性逐漸被人認識。

　　填縫要及時，在混凝土養(yǎng)護期后立即進行。填縫時應將縫隙吹干凈，縫隙內要干燥，以促進縫料與縫壁面結合緊密不滲水。

　　常用的填縫料有：聚氯乙烯膠泥、瀝青橡膠、瀝青混合料；另外還有聚氨酯焦油、聚氨酯整皮微孔泡沫塑料、空心橡膠嵌縫帶，因價格昂貴使用者不多。在長炒路改建工程中推薦采用聚氯乙烯膠泥和瀝青橡膠二種填縫料。聚氯乙稀膠泥具有較好的耐熱度和低溫塑性。據(jù)有關資料介紹在-40℃的溫度下仍具有一定的延伸率，價格也適中，且江蘇鎮(zhèn)江等地有成品出售，使用更為方便。瀝青橡膠使用方便，價格適中，唯低溫延性較聚氯乙烯膠泥小。瀝青混合料需自行配制，常因配比不當效果不好，出現(xiàn)夏季高溫時外溢，低溫時填料低陷。

　　脹縫下部的嵌條，常用的有經(jīng)防腐無活節(jié)劈裂變形的軟質木板條和瀝青橡膠嵌條。西安林產化學工廠研制的軟木非擠凸型伸縫填料，其伸縮率高，已經(jīng)有關部門鑒定推廣。脹縫上部的4厘米縫隙采用聚氯乙烯膠泥填充。長炒路工程我們全部采用填縫膠。

　　6重視混凝土的早期養(yǎng)護

　　實踐證明，混凝土常見的裂縫，大多數(shù)是不同深度的表面裂縫，其主要原因是溫度梯度造成。寒冷地區(qū)的溫度驟降也容易形成裂縫。因此，混凝土的保溫對防止表面早期裂縫尤其重要。

　　從溫度應力觀點出發(fā)，保溫應達到下述要求：①防止混凝土內外溫度差及混凝土表面梯度，防止表面裂縫；②防止混凝土超冷，應該盡量設法使混凝土的施工期最低溫度不低于混凝土使用期的穩(wěn)定溫度；③防止老混凝土過冷，以減少新老混凝土間的約束。

　　混凝土的早期養(yǎng)護，主要目的在于保持適宜的溫度、濕度條件，以達到下述兩個方面的效果，一方面使混凝土免受不利溫度、濕度變形的侵襲，防止有害的冷縮和干縮。一方面使水泥水化作用順利進行，以期達到設計的強度和抗裂能力。

　　適宜的溫度、濕度條件是相互關聯(lián)的。混凝土的保溫措施常常也有保濕的效果。

　　從理論上分析，新澆混凝土中所含水分完全可以滿足水泥水化的要求而有余。但由于蒸發(fā)等原因常引起水分損失，從而推遲或防礙水泥的水化，表面混凝土最容易而且直接受到這種不利影響。因此混凝土澆筑后的最初幾天是養(yǎng)護的關鍵時期，在施工中應切實重視起來。

　　7結束語

　　修一條高質量的混凝土路，從設計到施工之間影響質量的因素很多，一些理論和工藝有待探討和改進，以上對混凝土裂縫的預防進行了理論上和實踐上的初步探討，在實踐中的應用效果是比較好的，具體施工中要靠我們多觀察、多比較，出現(xiàn)問題后多分析、多總結，結合多種預防處理措施，混凝土的裂縫是完全可以避免的。

　　參考文獻：

　　⒈JTJ053-94《公路工程水泥砼試驗規(guī)程》

　?、睪BJ97-87《水泥砼路面施工及驗收規(guī)范》

　　⒊JTJ073-96《公路養(yǎng)護技術規(guī)范》